一定の温度を超えると、細胞は崩壊して死にます。この耐熱性の欠如の最も簡単な説明の 1 つは、生命に不可欠なタンパク質 (食物や日光からエネルギーを抽出し、侵入者をかわし、老廃物を破壊するなど) が美しく正確な形状をしていることが多いということです。それらは長いストランドとして始まり、コンポーネントの順序によって決定されるように、らせん、ヘアピン、およびその他の構成に折り畳まれます.これらの形状は、その機能において大きな役割を果たします。しかし、物事が熱くなり始めると、タンパク質構造を一緒に保つ結合が壊れます。最初は弱いものであり、次に温度が上がるにつれてより強いものです.タンパク質構造の広範な喪失が致死的であることは理にかなっていますが、最近まで、これが過熱した細胞をどのように殺すか、または殺すかの詳細は知られていませんでした.
しかし今、スイスの ETH チューリッヒ校の生物物理学者は、4 つの異なる生物の細胞内のすべてのタンパク質の、熱が上昇したときの挙動を調査しました。最近 Science に掲載されたこの研究と豊富なデータの蓄積 、細胞が死ぬ温度でそれを明らかにする - それが人間の細胞であろうと Escherichia coli の細胞であろうと — ほんの一握りの重要なタンパク質がバラバラになります。さらに、細胞内のタンパク質の存在量は、タンパク質の安定性と興味深い関係を示しているようです。この研究は、タンパク質の秩序と不規則性を支配する基本的な規則を垣間見せてくれます — 研究者たちは、この規則が、なぜ熱が死ぬのかという問題をはるかに超えた意味を持つことを認識しています.
この研究を主導した生物物理学者のパオラ・ピコッティは、この実験は古くからの厄介な問題から生まれたと説明した。バクテリア Thermus thermophilus E. は温泉や家庭用給湯器の中でも幸せに暮らしています。大腸菌 摂氏40度（華氏104度）以上で枯れます。有力な証拠は、各生物のタンパク質の安定性の違いが関与していることを示唆しています。しかし、生きた細胞にとどまっている間にタンパク質の挙動を観察すること (それを理解するための理想的な方法) は容易ではありません。また、試験管内でタンパク質を分離しても、部分的な答えしか得られません。なぜなら、生体内では、タンパク質が寄り添い、互いの化学的性質を変化させたり、互いを正しい形状に保持したりしているからです。何がバラバラになっているのか、そしてその理由を理解するには、タンパク質がまだ互いに影響し合っている間にそれらを観察する必要があります.
この問題に対処するために、チームは無秩序な自動化されたワークフローを考案しました。このワークフローでは、開いた細胞を分割し、その内容物を段階的に加熱し、すべての段階で混合物にタンパク質スライス酵素を解き放ちます.これらの酵素は、展開したタンパク質をスライスするのに特に優れているため、研究者は、温度が上昇するたびにどのタンパク質がバラバラになったかを断片を見ることで知ることができました.このようにして、彼らは、研究した数千のタンパク質のそれぞれについて、アンフォールディングまたは変性曲線をグラフ化し、温度が上昇するにつれて、快適な温度での無傷の構造から変性状態に移動するときの弧を示しました.これらの曲線が種間でどのように異なるかを確認するために、彼らは 4 つの種 (ヒト、E) の細胞に対してプロセスを実行しました。大腸菌 T.好熱菌 そして酵母。 「これは素晴らしい研究です」と、シカゴ大学の生物学者であるアラン・ドラモンドは、プロセスの規模と繊細さの両方を強調して述べました.
最も明確な観察結果の 1 つは、それぞれの種で、温度が上昇してもタンパク質が一斉に展開しなかったことです。代わりに、「タンパク質の小さなサブセットのみが非常に早期に崩壊することがわかりました」とピコッティ氏は言いました。「これらは重要なタンパク質です。」タンパク質の相互関係のネットワーク スタイルの図では、これらの壊れやすい少数のタンパク質が高度に結合していることが多く、細胞内の多数のプロセスに影響を与えていることを意味します。 「これらがなければ、細胞は機能できません」とピコッティは言いました。 「これらがなくなると、ネットワーク全体が崩壊する可能性が高くなります。」そして、明らかに、細胞の寿命です。
最も重要なタンパク質の一部が最もデリケートに見えるというこのパラドックスは、進化がどのようにそれらの仕事をするように形成したかを反映している可能性があります.タンパク質に多くの役割がある場合、次のターゲットが何であれ、適切なさまざまな形状をとることができるため、ある程度不安定で、展開と再折り畳みを起こしやすいという利点が得られる可能性があります。 「これらの[重要な]タンパク質の多くは高い柔軟性を持っているため、より不安定になります」が、細胞内のさまざまな標的分子に結合する汎用性を与える可能性があるとピコッティは説明した. 「それが彼らが機能を果たす方法です。おそらく。 …それはトレードオフです。」
E を詳しく見てみましょう。大腸菌 、彼らが最もきれいなデータを持っていた.彼らの報告によれば、細胞が作るコピーが多ければ多いほど、タンパク質を分解するのにより多くの熱が必要でした。 （注意すべきは、豊富さは、生命にとって不可欠であることと必ずしも相関するわけではありません。いくつかの希少なタンパク質は重要です。）豊富さと丈夫さの間のこの関係は、細胞タンパク質に関してドラモンドが10年ほど前に提唱した考えを支持しています。時折エラーを起こす機械の傾向を作ります。間違いは通常、タンパク質を不安定にします。そのタンパク質がたまたまありふれたもので、細胞内で毎日数百または数千個生成されている場合、誤って折りたたまれたコピーが大量に作られ、細胞を致命的に詰まらせる可能性があります。特別な安定性が組み込まれた一般的なタンパク質のバージョンを進化させることは生物にとって当然のことであり、ピコッティ チームのデータはこれを反映しているようです.
タンパク質の熱安定性を高める性質を調べるために、研究者は E のデータを比較しました。大腸菌 とT. 好熱菌。大腸菌 タンパク質は摂氏 40 度で崩壊し始め、摂氏 70 度までにほとんど分解されました。しかし、その温度では、T.好熱菌 タンパク質はちょうど不快になり始めていた. それらのいくつかは、少なくとも摂氏90度までその形状を保持し続けた.チームは、T.好熱菌 タンパク質はより短い傾向があり、特定の種類の形状と成分が最も安定したタンパク質でより頻繁に現れました.
これらの発見は、研究者がニーズに合わせて慎重に調整された安定性を備えたタンパク質を設計するのに役立つ可能性があります。たとえば、バクテリアが関与する多くの産業プロセスでは、温度を上げると収量が増加しますが、バクテリアは熱による外傷で死滅します。早期に崩壊するいくつかのタンパク質を温度に対してより耐性にすることで、細菌を安定化できるかどうかを確認することは興味深いだろう.
しかし、これらすべての観察を超えて、各タンパク質がどれほど簡単に展開するかについてのグループの豊富な情報は、一部の生物学者を特に興奮させています.タンパク質の安定性は、凝集体 (互いにくっついた折り畳まれていないタンパク質の塊) を形成する可能性を直接測定するものです。凝集体は、しばしば細胞にとって悪夢であり、重要なタスクを妨げる可能性があります。たとえば、アルツハイマー病など、変性タンパク質のプラークが脳を詰まらせる深刻な神経学的状態に関与しています。
しかし、それは、これらの状態に苦しんでいる個人だけに凝集が起こるという意味ではありません.それどころか、研究者は、明らかなストレッサーがなくても、それが常に起こっている可能性があり、健康な細胞にはそれに対処する方法があることに気づき始めています.ケンブリッジ大学の生化学者、Michele Vendruscolo は次のように述べています。 「ほとんどのタンパク質は、実際には細胞環境でミスフォールドして凝集します。 Picotti によって得られた最も基本的な情報は、特定のタンパク質が折り畳まれていない状態にある時間の割合に関するものです。この割合によって、凝集の程度が決まります。」ほとんど展開も凝集もしないタンパク質もあれば、特定の状況でのみ行うタンパク質もあれば、常に行うタンパク質もあります。新しい論文の詳細な情報により、これらの違いが存在する理由とその意味を研究することがはるかに容易になると彼は述べた.変性曲線のいくつかは、タンパク質が展開後に凝集していたことを示唆するパターンさえ示しています。 Vendruscolo 氏は、「彼らは展開とその後の集計の両方のステップを監視できました」と述べています。 「それがこの研究の興奮です。」
多くの科学者は骨材が引き起こす損傷のために骨材に興味を持っていますが、別の角度からこの現象について考えている科学者もいます。ドラモンド氏によると、一部の骨材は細胞内に浮遊するゴミの塊ではないことが明らかになったという。むしろ、彼らは仕事を続けている活性タンパク質を含んでいます.
遠くから煙が建物から立ち昇っているのを想像してみてください、と彼は言いました。その周りには、残骸から引きずり出された体と見なされる形があります。しかし、近づいてみると、彼らは実際に燃えている建物から逃げ出し、緊急事態が過ぎ去るのを待っている生きている人々であることがわかるかもしれません.それが凝集体の研究で起こっていることだと、ドラモンド氏は述べた。 「実際、現在爆発している分野があります」と彼は言いました。
凝集は、単なる損傷の兆候ではなく、状況が厳しくなったときにタンパク質が機能を維持する方法として役立つ可能性があります.たとえば、周囲の環境から保護するのに役立つ場合があります。条件が改善すると、タンパク質は凝集体から離れて、再び折り畳まれる可能性があります。 「それらは温度に敏感な[形状]の変化を持っています。よく見ないと、折り畳みが間違っているように見えます」とドラモンドは言いました. 「しかし、何か他のことが起こっています。」 2015年のセルで 論文では、彼と共同研究者は、凝集体に閉じ込められた後に機能を回復すると思われる177の酵母タンパク質を特定しました.昨年 3 月に発表された論文で、彼のチームは、これらのタンパク質の 1 つを凝集できないように変更すると、実際に細胞に深刻な問題が発生することを発見しました.
全体として、この研究は、タンパク質が不思議なほど動的な構造であることを示唆しています。最初は、特定の形状が適した固定されたタスクに取り組んでいる、剛体の機械のように見えるかもしれません。しかし実際には、タンパク質は通常の役割の過程でいくつかの異なる形態に変化する可能性があります.そして必要な時には、彼らの形が急激に変化し、実際には自分自身を強化しているのに、まるで寿命が尽きたかのように見えるかもしれません.分子レベルでは、生命は絶えず集まったり離れたりすることで構成されている可能性があります。
